Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir EV ALUASI TEGANGAN PADA NOSEL TANGKI PEMBANGKIT DENGAN PROGRAM ANSYS UAP PL TN Utaya-Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir -BAT AN B.Bandriyana- Pusat Teknologu Bahan Industri - BATAN ABSTRAK EVALUASI TEGANGAN PAOA NOSEL TANGKI PEMBANGKIT UAP PLTN OENGAN PROGRAM ANSYS. Studi tentang pemodelan dan perhitungan tegangan dalam nose I PLTN tipe PWR dilakukan untuk evaluasi dan pengembangan desain komponen mekanik sistem PLTN. Untuk model perhitungan diambil material nosel dari baja SA 516-70 dengan modulus elastisita 2. 10 1\ MPa dan angka Poisson 0,296. Perhitungan dilakukan dengan pemodelan 3 dimensi berdasarkan metode elemen hingga menggunakan program ANSYS. Oistribusi tegangan menunjukkan harga tegangan total pada nosel berkisar antara 100 sampai dengan 700 MPa. Konsentrasi tegangan terjadi pada sambungan antara nosel dan tangki pada permukaan bagian dalam dengan tegangan maksimum sekitaro 706 MPa dan pergeseran maksimum sebesar 2,36 mm memenuhi persyaratan desain. Evaluasi dan pengembangan desain untuk komponen dapat dilakukan lebih teliti berdasarkan tegangan lokal maksimum. Kata kunci : tegangan, nosel, ANSYS ABSTRACT STRESS EVALUATION ON NOZLE OF STEAM GENERATOR FOR THE NUCLEAR POWER PLANT USING THE ANSYS PROGRAM. Study on modeling and calculation of stress was performed in the nozle of steam generator of the PWR-nuclear power plant. The material of nozle was steel SA 516-70 with the modulus elasticity of 2. 101\ MPa and the Poisson ratio of 0,296. The calculation was done by the finite element method using the 3 dimension modeling of ANSYS 5.4. program. The stress distribution showed the stress on nozzle was 100 to 700 MPa. The stress concentration was occurred at the junction of the nozzle and vessel in the inner surface with the maximum stress arround of 706 MPa and the maximum displacement of 2,36 mm met with the design 121
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir requirement. Evaluation and development of the component design could be done more accurately by based on the maximum local stress. Key words: residual stress, welding, Tee junction, finite element Disampaikan pad a Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 2007, Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir-BA TAN, 20 Nopember 2007. PENDAHULUAN Nosel merupakan komponen penting dalam tangki pembangkit uap pada sistem PLTN yang berfungsi sebagai penyambung tangki dengan sistem pemipaan. Nosel disambungkan secara mati pada tangki dengan menggunakan sambungan las. Sambungan nosel ini merupakan titik kritis yang menjadi dasar perhitungan struktur dan kekuatan tangki pembangkit. Beberapa program komputer secara khusus dibuat untuk mengevaluasi kekuatan nosel secara praktis, misalnya dalam program PV ELITE. Untuk perhitungan desain bisa juga digunakan metode dan rumusan dari ASME VIII tentang desain bejana tekan dan komponen nuklir. Program perhitungan dalam PV ELITE dilakukan dengan mengambil ban yak asumsi dan menghasilkan nilai tegangan secara global sehingga mengurangi tingkat ketelitian hasil perhitungan. Rumusan ASME juga menghasilkan tegangan secara global dengan berbagai perhitungan parameter yang cukup rumit dan lama untuk mengevaluasi desain. Untuk meningkatkan ketelitian dalam desain nosel dewasa ini telah ban yak dikembangkan metode perhitungan yang berdasarkan teori elemen hingga. Dasar dari metode elemen hingga adalah membagi benda kerja menjadi elemen-elemen kecil yang jumlahnya berhingga dan dapat menghitung reaksi akibat beban pada kondisi batas yang diberikan. Ide ini sangat membantu ketika perhitungan analitis diferensial sangat susah dilakukan karena berbagai faktor, misal karena geometri, variasi beban, dan waktunya yang simultan. Dari elemen-elemen terse but dapat disusun. persamaanpersamaan matrik yang bisa diselesaikan secara numerik dan hasilnya menjadi jawaban dari beban pada kondisi beban yang diberikan pada benda kerja tersebut. Salah satu basis 122
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir perhitungan dengan metode elemen hingga adalah program komputer ANSYS yang bisa digunakan untuk evaluasi berbagai model desain mekanik, termal maupun model aliran fluida. Permasalahan yang perlu diperhatikan dalam penggunaan program ANSYS adalah penyiapan data masukan (input) untuk menggambarkan geometri benda serta asumsi untuk menentukan beban dan syarat batas sesuai dengan teori perhitungan elemen hingga. Penggunaan program ini dapat menghasilkan distribusi tegangan dalam komponen sehingga diperoleh hasil yang teliti dengan meninjau tegangan lokal maksimum. Makalah ini menguraikan suatu studi untuk evaluasi kekuatan desain nosel dengan menghitung dan menganalisis distribusi tegangan yang terjadi dalam nose I menggunakan program ANSYS. Hasil perhitungan dan analisis diharapkan untuk menjadi dasar dalam evaluasi tegangan nosel khususnya dalam teknik dan metode komputasi sehingga dapat dikembangkan untuk evaluasi desain peralatan nose!. Dengan diperolehnya program masukan yang teruji maka evaluasi dan pengembangan desain akan mudah dilakukan dengan model perhitungan dan simulasi. METODE DAN T AT A KERJA Perhitungan dengan program ANSYS Metode perhitungan tegangan dilakukan berdasarkan langkah perhitungan dengan program ANSYS sebagai berikut[l], [2] : 1. IDEALISASI PROBLEM Analisis untuk pemodelan dilakukan dengan model 3 dimensi untuk nosel dan bagian atas tangki pembangit uap pad a kondisi steady state. Basis data material, geometri/ ukuran dan sistem desain serta data operasi untuk penentuan pembebanan diambil dengan mengacu pada data teknik sistem pembangkit uap PLTN tipe reaktor bertekananan (PWR). Data-data untuk perhitungan ditentukan sebagai berikut: 123
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Geometri dan ukuran [3],[4] Diameter tangki pembangkit uap, 0 = 200 em Nosel berupa pipa dengan diameter luar, d = 25 em Tebal tangki, t = 2,5 em Tebal pipa nosel, tn = 3 em Panjang nosel, L = 30 em Data material[s] Material untuk nosel, baja SA 516-70 dengan data dan sifat mekanik : Modulus elastisitas, E = 2 x loll MPa, Angka Poisson, v = 0,296 Parameter operasi [3],[4] Tekanan uap primer pad a tutup tangki atas, p = 17 MPa Suhu operasi pada tangki dan nose I, T = 147 e 2. PREPROCESSING Dalam tahap ini dilakukan proses pembuatan model geometri 3 dimensi, pemasukan sifat-sifat material dengan data seperti pada idealisasi dan pemilihan tipe elemen, Langkah selanjutnya membuat mesh untuk membagi model kedalam elemen hingga. Untuk elemen dipilih tipe elemen untuk struktur dalam analisa 3 dimensi, yaitu 3 dimensional 4-node tetrahedral structural solid atau disebut SOLID92[6]. Meshing dilakukan dengan eara otomatis dan membagi komponen tangki bagian atas dan nose I dalam bentuk elemen yang semakin mengeeil pada ujung sambungan nosel dan tangki dengan jumlah elemen sebanyak 378 elemen. Geometri tangki tutup bagian atas dan nose I dengan hasil mesh dari model ditunjukkan dalam gambar I. 124
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Gambar 1. Geometri dan meshing dari model tutup tangki dan nose I 3. PENYELESAIAN (SOLUTION) Langkah ini berisikan pemberian syarat batas dan pemberian beban berupa tekanan untuk tangki kemudian menyelesaikan persamaan aljabar dengan program ANSYS. Untuk beban dalam perhitungan ini hanya diambil beban mekanik berupa tekanan sebesar 17 MPa pada. bagian dalam tangki dan nosel. Untuk syarat batas dalam perhitungan diambil kondisi sambungan sebagai titik tetap sehingga terjadi distribusi tegangan akibat pengaruh tekanan. 4. POST PROCESSING Dalam proses ini dilakukan pengambilan data-data penting dari hasil perhitungan untuk keperluan analisis. Data hasil perhitungan berupa distribusi tegangan total dan distribusi pergerakan total dari model. 125
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan dengan program ANSYS menunjukkan pola distribusi tegangan total (von mises), dan distribusi pergeseran total seperti yang disajikan dalam Gambar 2 dan 3..A.N3YS 5.'1 APR 9 2006 12:22:39 NODAL SOLUTION STEP-1 SUE -1 TIME-l SEQV (AVG) Powe["Gt"aphic~ [FACET-l J..VRES-Mat DMX -2.266 SMN -29.751 SKX -7059 _ 29.751 1!:2!!1 810.798 D 1592 o 2373 IE'!!] 315q 3935 n16 D 5q97 _ 6278 7059 Gambar 2. Oistribusi tegangan total pada tangki dan nose I ANSYS 5.4 APR 9 2006 12: 23: 12 NODAL SOLUTION STEP-! SUB -1 TIME-! USUH (A.VG) R5Y5-Q PoverGre.phice EFACET-! AVRES-I'!at. DHX -2.266 5HX -2.266 _ 0 ER!J.25175 C:J.503501 c:j.755251 ~ 1.007 CJ 1.259 c::j 1.511 c::j 1.762 _ 2.014 2.266 Gambar 3. Oistribusi pergeseran total pad a tangki dan nosel 126
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Gambar 2 menunjukkan distribusi tegangan pada nosel dan tangki bagian atas ditampilkan dalam posisi utuh. Selain distribusi tegangan dapat diamati besarnya distribusi pergeseran (displacement) total seperti disajikan dalam Gambar 3. Berdasarkan pola distribusi tegangan dan pergeseran tersebut dapat diamati posisi titik (node) dan harga tegangan serta pergeseran maksimum yang terjadi pada nosel dan tangki. Pola distribusi tegangan pada Gambar 2 menunjukkan harga tegangan pada daerah tangki cukup rendah berkisar antara 30 sampai 800 Kg/mm2 atau sekitar 3-80 MPa, sedangkan pada daerah nosel tegangan yang terjadi berkisar antara looo sampai dengan 7000 Kg/mm2 atau sekitar 100-700 MPa. Tegangan maksimum sekitar 706 MPa terjadi pada sambungan tangki dan nosel dan beberapa titik pada ujung nosel merupakan titik kritis dari desain. Dari hasil perhitungan berdasarkan perumusan tegangan akibat tekanan dinding sebesar 17 MPa dengan rum us umum untuk tegangan keliling secara konvensional diperoleh hasil tegangan rata-rata sebesar 340 MPa. Validasi dengan menggunakan rumusan dasar tegangan pada tangki dengan perhitungan menggunakn standar ASME VIII bisa memberikan evaluasi batas kekuatan desain dengan memberikan faktor rasio tegangan maupun pengaruh momen. Dalam penelitian ini belum dilakukan validasi terhadap hasil perhitungan dari standar ASME. Untuk desain secara konvensional batas tegangan ijin bisa digunakan dibawah tegangan elastis bahan yang untuk baja ini berada di sekitar 400 MPa. Dari hasil perhitungan dengan ANSYS diperoleh tegangan maksimum diatas batas kekuatan bahan meskipun masih berada dibawah tegangan maksimum yang diijinkan bahan sekitar 750 MPa. Secara konvensional tegangan masih dibawah tegangan ijin desain. Dari hasil ini diketahui bahwa desain masih aman terhadap tegangan nosel tetapi pada titik tertentu pada tegangan lokal maksimum perlu mendapat perhatian karena sudah mendekati batas aman desain. Berdasar data dari pola distribusi pergeseran pad a Gambar 3, besarnya pergeseran maksimum sekitar 2,3 mm terjadi pada daerah ujung nosel yang juga merupakan daerah tegangan tinggi. Titik dengan tegangan dan regangan tinggi akan merupakan titik kritis untuk kerusakan fatik atau creep j ika dioperasikan pada suhu tinggi. Pada operasi pembangkit uap ini suhu operasi maksimum 350 C belum memberikan pengaruh terjadinya kerusakan creep. 127
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Dengan modeling ini dapat dievaluasi batas tegangan dan regangan kritis yang dicapai dan dapat didesain ulang jika melebihi persyaratan desain yang ditentukan. Modeling untuk perhitungan tegangan akan membantu dan menjadi alat evaluasi yang efektif dengan menghasilkan perhitungan yang lebih teliti karena tidak menganggap tegangan merata keseluruh bagian komponen. Masalah utama yang perlu mendapat perhatian dalam modeling ini adalah ketelitian hasil. Ketelitian hasil akan sangat dipengaruhi oleh langkah dalam mengambil model, asumsi data dan ketelitian modeling. Verifikasi hasil perhitungan dalam modeling ini belum dilakukan dengan teliti baik dibandingkan dengan hasil perhitungan program ataupun hasil eksperimen. Pengembangan perhitungan dapat dilakukan untuk berbagai model dan ukuran nosel untuk memperoleh hasil perhitungan yang teliti. Dengan mengubah data dan input file akan dengan mudah diketahui hasil tegangan maksimum dan daerah kritis yang terjadi. Penggambaran geometri menggunakan program AUTOCAD atau SOLID WORK untuk mempermudah pembuatan gambar sebagai masukan program perlu dilakukan untuk pengembangan komputasi. KESIMPULAN Distribusi tegangan dalam nosel pada tangki pembangkit uap suatu PLTN dapat dihitung menggunakan metoda elemen hingga. Bagian kritis dengan tegangan maksimum sebesar 706 MPa terjadi pada sambungan antara pipa dan nosel dengan pergeseran maksimum 2,36 mm masih berada dalam batas aman tegangan maksimum bahan. Metode elemen hingga menggunakan program ANSYS dapat memberikan simulasi untuk analisis dan desain nose I dengan baik dengan mengubah data berupa input file. 128
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir UCAP AN TERIMA KASIH Diucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Sunardi Dipl. Ing. staf Bidang Bahan Industri Nuklir PTBIN-BA TAN yang ban yak membantu dalam simulasi dan pemodelan. DAFT AR PUST AKA 1. Anonim, "ANSYS Structural Analysis Guide," ANSYS, Inc., 1994. 2. SAEED MOA YENI, " Finite Element Analysis", Prentice Hall, New Jersey, 1999, USA 3. Anonim, AP600 Plant Design Criteria, GW-GI-OOI RevA-Westinghouse Energy Center, 1994. 4. EUGENE CAMP, "Three-dimensional Finite Element and Three-dimensional Photo elastic Experiment Stress Analysis of PWR Steam Generator", Structural Mechanics in Reactor Technology", Atomic Energy Society of Japan, 1991. 5. SHACKELFORD, J. F, WILLIAM ALEXANDER, "Materials Science and Engineering Hand Book," CRC Press, Inc., 1994. 6. FRANK STASSA, "Applied Finite Element Analysis for Engineers", CBS Collage Publishing. 129